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Jun 17, 2023

Wichtige Überlegungen bei der Konstruktion von Wasserpumpen

Es ist nicht einfach, eine neue Pumpe von Grund auf zu entwerfen, und es gibt nichts auf dem Markt, das alle notwendigen Werkzeuge bietet, um eine Pumpe genau so zu entwerfen, wie sie gewünscht wurde. Einige davon

Es ist nicht einfach, eine neue Pumpe von Grund auf zu entwerfen, und es gibt nichts auf dem Markt, das alle notwendigen Werkzeuge bietet, um eine Pumpe genau so zu entwerfen, wie sie gewünscht wurde. Einige dieser Quellen bieten möglicherweise Einblicke in die Laufradkonstruktion, während andere bei der Anordnung der Hydraulikkanäle (Gehäuse/Behälter, Spirale, Diffusor, Überkreuzung usw.) hilfreich sein können.

Es ist jedoch die Kombination der beiden hydraulischen Komponenten, die zusammenwirken, welche die Leistungseigenschaften der Pumpe bestimmt. Wenn beispielsweise die Konstruktion des Laufradauges die Auslaufkapazität der Pumpe einschränkt, hat eine Vergrößerung der Strömungsflächen innerhalb des Spiralgehäuses möglicherweise keine Auswirkung auf die Auslaufleistung. Da es bei der Pumpenhydraulikkonstruktion keine Standardisierung gibt und keine zwei Unternehmen oder Ingenieure genau dieselben Methoden, Quellen oder Techniken verwenden, konzentriert sich dieser Artikel auf branchenübliche Überlegungen bei der Konstruktion von Pumpen für Trinkwasseranwendungen.

Die meisten in Trinkwasseranwendungen verwendeten Pumpen sind rotodynamische Pumpen, genauer gesagt radiale (oder zentrifugale) Pumpen. Dies bedeutet nicht, dass Pumpen mit gemischter oder axialer Strömung nicht in Trinkwasseranwendungen eingesetzt werden können, sondern lediglich, dass in der Regel Pumpen mit fliegender horizontaler Endansaugung, schwebende vertikale Inline-Pumpen, horizontale Split-Case-Pumpen und vertikale Turbinenpumpen (Entladung durch Kolonne) verwendet werden Übertragung von Trinkwasser. Trinkwasser-Kreiselpumpen sind speziell dafür konzipiert, sauberes, frisches Trinkwasser von einem Ort zum anderen zu zirkulieren oder zu transportieren.

Diese Pumpen werden in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in kommunalen Wassersystemen, Wasseraufbereitungsanlagen und landwirtschaftlichen Bewässerungssystemen, und ihre Konstruktion sollte allen relevanten Vorschriften, Standards und örtlichen Vorschriften entsprechen. Im Entwurfsprozess müssen wichtige Überlegungen berücksichtigt werden, die von den Konstruktionsmaterialien über die Art der Gleitringdichtung bis hin zum geeigneten Rohrleitungsplan reichen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die wichtigen Überlegungen zu Pumpen mit Spiralgehäuse. Je nach Anwendung oder Umgebung können jedoch noch weitere Faktoren die Konstruktion der Pumpe beeinflussen.

Pumpendesign

Die hydraulische Gestaltung von Laufrädern, Spiralen und Gehäusen ist in der Pumpenindustrie nicht standardisiert und wird nicht abgedeckt. Es gibt jedoch mehrere allgemein anerkannte Faktoren, die bei der hydraulischen Auslegung von Trinkwasserpumpen hilfreich sind, und ihr Wert sollte jedem bekannt sein, vom Konstrukteur bis zum Endbenutzer.

Beim Entwurf einer Trinkwasserpumpe ist der Wirkungsgrad ein wesentlicher Parameter, der berücksichtigt werden muss. Sie wird durch verschiedene Faktoren wie Pumpentyp, Größe, Ausrichtung und Betriebsgeschwindigkeit beeinflusst. Ein wichtiger Faktor, der die Pumpeneffizienz beeinflusst, ist die spezifische Drehzahl der Pumpe. Die spezifische Drehzahl (Ns) ist ein Parameter zur Beschreibung der Leistung einer rotodynamischen Pumpe. Es ist definiert als ein Index der Pumpenleistung am besten Effizienzpunkt (BEP), der Durchflussrate und der Förderhöhe der Pumpe, mit dem maximalen Laufraddurchmesser und bei einer gegebenen Drehzahl (Gleichung 1).

Der Index informiert den Konstrukteur über den für die Anwendung erforderlichen Pumpentyp. Zusammen mit dem Pumpentyp bestimmt die spezifische Drehzahl den maximal erreichbaren Wirkungsgrad für die jeweilige Konstruktion. Der erreichbare Wirkungsgrad einer Pumpe ist der maximale Wirkungsgrad, der für ein bestimmtes Pumpendesign basierend auf Pumpentyp, Auslegungsdurchfluss (BEP) und spezifischer Drehzahl erreicht werden kann (Bild 1).

Es gibt weitere Faktoren, die die erreichbare Effizienz beeinflussen können, wie z. B. die Oberflächenbeschaffenheit der Strömungskanäle und die Laufspiele (Verschleißring) der internen Komponenten der Pumpe; Ihr Einfluss auf den maximal erreichbaren Wirkungsgrad hängt jedoch von der spezifischen Drehzahl der Pumpe ab (Bilder 2 und 3). Pumpen mit höherer Ausgangsleistung bei BEP haben in der Regel einen höheren erreichbaren Wirkungsgrad als Pumpen mit geringerer Leistung, wenn sie für ähnliche spezifische Drehzahlen ausgelegt sind, und das Verständnis dieses Zusammenhangs ist im Konstruktionsprozess von entscheidender Bedeutung.

Die Strömungsquerschnittsübergänge, die während der Konstruktionsphase der Ansaugung (Einlass) und der Spirale entstehen, können sich auch auf die Pumpeneffizienz auswirken. Diese Übergänge müssen so gestaltet sein, dass Verluste minimiert werden. Dies kann erreicht werden, indem plötzliche Änderungen der Querschnittsflächen minimiert und der Übergang von der Saugdüse zum Laufradaugenabschnitt sowie vom Spiralschnittwasser (oder der Zunge) zum geglättet werden Auslassdüse. Dies geschieht in der Regel durch die getrennte Bewertung der Saug- und Auslasskanäle und die Feinabstimmung des Flächenverlaufs in Strömungsrichtung. Bild 4 zeigt die typische allmähliche Erweiterung der Querschnittsflächen in der Entwicklung des Spiralgehäuses vom Cutwater (oder der Zunge) bis zum Auslassstutzen für eine horizontale Split-Case-Pumpe (BB1).

Weitere Überlegungen bei der Pumpenkonstruktion, die nicht berücksichtigt wurden, umfassen Axial- und Radialschub, Lagerlebensdauer, Wellendurchbiegung und -belastung, Gehäusewandstärke, Anzahl der Gehäuseschrauben und die Fläche zwischen den Laufradschaufeln im Vergleich zur gesamten Laufradaugenfläche.

Weitere Informationen finden Sie unter American National Standards Institute (ANSI)/Hydraulic Institute (HI) 14.3-2019 Rotodynamic Pumps for Design and Application und HI 20.3-2020 Rotodynamic Pump Efficiency Prediction.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Konstruktion einer Trinkwasserpumpe ist die Auswahl der Materialien der benetzten Teile (Komponenten, die in direktem Kontakt mit dem Trinkwasser stehen). Die beim Bau der Pumpe verwendeten Materialien müssen allen relevanten Vorschriften und Standards entsprechen, wie z. B. NSF/ANSI 61 oder FDA-Standards, und dürfen die Wasserversorgung nicht verunreinigen. Edelstahl, Bronze und verschiedene Kunststoffe sind gängige Materialien, die beim Bau von Trinkwasserpumpen verwendet werden. Bild 5, eine modifizierte Version, die in Anhang B der Pump Application Guideline Water Treatment Plant Pumps des Hydraulic Institute beschrieben ist, zeigt typische Konstruktionsmaterialien, die den Vorschriften und Standards entsprechen.

Die Auswahl der richtigen Gleitringdichtung ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Konstruktion einer Trinkwasserpumpe. Die Gleitringdichtung muss bestimmte Anforderungen erfüllen, um sicherzustellen, dass sie sicher und für den Einsatz mit Trinkwasser geeignet ist, und so ausgelegt sein, dass sie ein Auslaufen der Pumpe verhindert. Auch das Eindringen von Schadstoffen muss verhindert werden. Es gibt verschiedene Arten von Gleitringdichtungskonstruktionen, die möglicherweise verwendet werden müssen, um die spezifischen Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Am häufigsten werden jedoch einzelne Gleitringdichtungen in Trinkwasseranwendungen verwendet.

Das spezifische Design der verwendeten Gleitringdichtung variiert je nach Anwendungsanforderungen. Akzeptable Materialien für die Dichtfläche, den Dichtungsausgleich, integrierte Metallkomponenten und Sekundärdichtungen müssen alle berücksichtigt werden und sind in der Pump Applications Guideline des Hydraulic Institute für mechanische Dichtungen für Pumpen beschrieben. Angesichts des zunehmenden regulatorischen Fokus auf Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) müssen Pumpenentwickler in Zukunft jedoch möglicherweise alternative Materialien für Dichtungen, O-Ringe, Wellendichtungen und Packungen in Betracht ziehen.

Es gibt verschiedene Arten von Rohrleitungsplänen für Gleitringdichtungen, die in Trinkwasseranwendungen verwendet werden, einschließlich der Pläne 2, 11 und 13 (Bild 6). Plan 2 ist eine geschlossene Dichtungskammer ohne Spülflüssigkeitszirkulation. Ein Plan 11 beinhaltet die Produktrückführung vom Pumpenauslass zur Dichtung durch eine Durchflusskontrollöffnung oder ein Ventil, und ein Plan 13 beinhaltet die Produktrückführung von der Dichtungskammer zurück zur Pumpenansaugung. Die Auswahl eines Dichtungsrohrplans hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich der Betriebsbedingungen, der Umgebung und etwaiger behördlicher Anforderungen.

Eine weitere Wellenabdichtungsmethode, die häufig in Trinkwasseranwendungen verwendet wird, ist die Kompressionspackung. Bei der Auswahl von Dichtungspackungsmaterialien für Trinkwasseranwendungen ist es wichtig, Materialien auszuwählen, die den relevanten Industriestandards und -vorschriften entsprechen. Zu den gängigen Materialien für Dichtungspackungen in Trinkwasseranwendungen gehören geflochtenes Polytetrafluorethylen (PTFE)-Synthetikgarn, geflochtenes expandiertes PTFE oder Graphit. Wenden Sie sich jedoch an den Lieferanten, wenn es um Materialien geht, die alle relevanten Vorschriften und Normen erfüllen.

Wie leicht eine Pumpe bei der Standardwartung beurteilt werden kann, ist ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Konstruktion jeder Art von Pumpe, besonders wichtig ist sie jedoch bei Pumpen, die für die Versorgung von Haushalten, Unternehmen und öffentlichen Einrichtungen mit sauberem Trinkwasser verantwortlich sind. Jeder Ausfall oder jede Fehlfunktion der Pumpe kann schwerwiegende Folgen für die öffentliche Gesundheit und Sicherheit haben. Durch die Priorisierung der Wartungsfreundlichkeit bei der Konstruktion können Ingenieure einen einfachen Zugang zu kritischen Komponenten gewährleisten, die möglicherweise im Laufe der Zeit ausgetauscht oder gewartet werden müssen. Dazu gehören Laufräder, Lager, Dichtungen und andere Teile, die während des Betriebs verschleißen oder sich verschlechtern können.

Im Hinblick auf die Zuverlässigkeit ist die Wahl langlebiger und korrosionsbeständiger Materialien, die allen relevanten Vorschriften und Normen entsprechen, von entscheidender Bedeutung. Auch die ordnungsgemäße Auslegung der Pumpe auf die Anforderungen der Anwendung ist von entscheidender Bedeutung, da eine unter- oder überdimensionierte Pumpe zu beschleunigtem Verschleiß, einem höheren Ausfallrisiko und einer Verringerung der Energieeffizienz führen kann.

Bei der Konstruktion einer Trinkwasserpumpe müssen mehrere wichtige Faktoren sorgfältig berücksichtigt werden, angefangen bei der Hydraulikkonstruktion, den Konstruktionsmaterialien, der Gleitringdichtung und dem entsprechenden Rohrleitungsplan bis hin zu Wartungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit. Durch die Berücksichtigung dieser Überlegungen können Konstrukteure sicherstellen, dass die Pumpe für den Einsatz in einer Vielzahl von Trinkwasseranwendungen effektiv, effizient und sicher ist.

Alex Moser ist leitender Ingenieur für Standards und Schulung am Hydraulic Institute. Er kann unter [email protected] erreicht werden. Weitere Informationen finden Sie unter pumpen.org.